面板堆石坝混凝土防渗结构损伤分析

摘要

混凝土面板堆石坝由于具有安全、经济、适应环境和气候条件等优点，深受坝工界的青睐，混凝土面板堆石坝是目前坝工建设中应用最为广泛和发展最快的坝型之一。面板和高趾墙作为面板坝的主要防渗结构，是整个大坝正常工作的最重要防线，保证其安全可靠地工作运行一直是坝工界研究的首要问题。
　　目前，我国混凝土面板堆石坝的发展正面临着从200m到300m级坝高跨越的技术挑战，尤其是这种超高面板坝，在高应力场下堆石料破碎严重，坝体变形较大，可导致面板破裂，从而威胁大坝的安全运行。由于面板的顺坡向拉应力变化比较大，在混凝凝土面板堆石坝的静、动力分析中，采用线弹性模型进行应用有一定的局限性。本文在国家自然科学基金重大研究计划集成项目（编号:91215301）、国家自然科学基金项目（编号:51379028;51279025）、新世纪优秀人才支持计划资助（编号:NCET-12-0083）和地震行业科研专项经费项目（编号:201208013）资助下，采用混凝土塑性损伤模型，考虑了混凝土的损伤开裂，以及表现出的刚度退化和应变软化的特性，实现了混凝土面板堆石坝面板及高趾墙的静、动力计算方法。较好的模拟了面板及高趾墙损伤的发生和发展过程，验证了混凝土塑性损伤模型在面板堆石坝中的应用。
　　通过对200m混凝土面板堆石坝的静、动力分析，计算结果表明:地震时，在0.65H（H为坝高）附近顺坡向拉应力最大，面板首先在该部位出现损伤，同时由于鞭稍效应，0.85H面板附近也出现损伤;采用损伤模型，损伤部位的面板出现软化，应力得到释放，计算结果比线弹性模型更加合理;采用塑性损伤模型可以反映混凝土面板渐进破坏过程，通过损伤变量可以清晰地了解面板的损伤分布和薄弱环节。本文的研究成果可以为进一步开展混凝土面板堆石坝极限抗震能力及抗震措施分析提供有效手段。
　　通过对带有高趾墙的混凝土面板堆石坝静动力反应特性进行了二维有限元分析，计算结果表明:高趾墙在施工和蓄水工程中上、下游两侧受到拉、压应力交替作用，竣工期最大拉应力发生在高趾墙下游面底部，满蓄期最大拉应力发生在高趾墙上游面底部，由于拉应力超过了混凝土抗拉强度，高趾墙出现轻微损伤;在地震荷载作用下，高趾墙底部损伤程度增大，损伤变量最大超过0.8，同时高趾墙顶部也有轻微损伤，损伤变量小于0.6。通过损伤变量可以清晰的看到高趾墙在地震作用下的破坏过程及薄弱环节，研究成果可以为混凝土面板堆石坝抗震设计提供理论指导。